Advanced Level Physics - NH Papers · 2016. 1. 18. · through a potential difference of 3.0 kV and...

$: Advanced Level Physics - NH Papers · 2016. 1. 18. · through a potential difference of 3.0 kV and then enters the tube. The ionised atom is GHIOHFWHG E\ D PDJQHWLF ILHOG RI PDJQHWLF$
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P46954A©2016 Pearson Education Ltd.

1/1/1/1/1/

*P46954A0128*

PhysicsAdvancedUnit 4: Physics on the Move

Monday 18 January 2016 – MorningTime: 1 hour 35 minutes WPH04/01

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Instructions

• Use black ink or ball-point pen.

• Fill in the boxes at the top of this page with your name, centre number and candidate number.

• Answer all questions.

• Answer the questions in the spaces provided – there may be more space than you need.

Information

• The total mark for this paper is 80.

• The marks for each question are shown in brackets – use this as a guide as to how much time to spend on each question.

• Questions labelled with an asterisk (*) are ones where the quality of your written communication will be assessed – you should take particular care with your spelling, punctuation and grammar, as well as the clarity of expression, on these questions.

• The list of data, formulae and relationships is printed at the end of this booklet.

• Candidates may use a scientific calculator.

Advice

• Read each question carefully before you start to answer it.

• Keep an eye on the time.

• Try to answer every question.

• Check your answers if you have time at the end.

Pearson Edexcel InternationalAdvanced Level

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SECTION A

Answer ALL questions.

For questions 1–10, in Section A, select one answer from A to D and put a cross in the box . If you change your mind, put a line through the box and then

mark your new answer with a cross .

1 The unit for capacitance is the farad. The farad can also be written as

A A s V

B A s V

C A s V

D A s V

(Total for Question 1 = 1 mark)

2 Which graph shows how the electric field strength E due to a negative point charge varies with distance r from the charge?

A

B

C

D


E

0 r

E

0 r

E

0 r

E

0 r

A B C D

3

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REA

3 The diagram shows a coin on a horizontal surface which is rotating at a constant angular

Which arrow correctly shows the direction of the frictional force on the coin?

A

B

C

D


4 Two charges +Q and –Q are located as shown on the diagram. × is the point halfway between the two charges.

A small positive charge moves from +Q to –Q. Which statement about the resultant force on this charge, as it passes through ×, is

correct?

A The magnitude of the resultant force is a maximum.

B The magnitude of the resultant force is a minimum.

C The resultant force changes direction.

D The resultant force is zero.


DC

BA

+Q Q×

4

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5 m.

What is the magnitude of the electric field strength halfway between the plates?

A 6000 Vm

B

C

D


6 The Large Hadron Collider is designed to accelerate protons to very high energies for particle physics experiments. Very high energies are required to

A annihilate hadrons.

B collide hadrons.

C create particles with large mass.

D produce individual quarks.


7 × kg m s .

The kinetic energy of the electron is

A J

B J

C J

D 6 J


5


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IS A

REA

8 A particle of mass m and charge Q moves in a circle, perpendicular to a magnetic field of magnetic flux density B.

The graph shows the relationship between the radius of the orbit r and velocity v of the particle.

The gradient of the graph is given by

A mBQ

B BQm

C BQm

D BQm


r

v0

6

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Questions 9 and 10 refer to the diagram which shows tracks from a particle detector.

Two particles X and Y were created by the decay of a lambda particle at O.

The diagram shows the tracks of particles X and Y.

9 Which of the following is a valid conclusion from the information given?

A X is a negatively charged particle.

B Y is a positively charged particle.

C The lambda particle is neutral.

D The magnetic field is acting into the paper.


10 Which of the following is a correct statement about momentum?

A The momentum of X is equal to that of Y.

B The total momentum of the system is zero.

C The vector sum of the momenta of X and Y must equal that of the lambda particle.

D The vector sum of the momenta of X and Y must equal zero.


TOTAL FOR SECTION A = 10 MARKS

O

X

Y

7


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REA

SECTION B

Answer ALL questions in the spaces provided.

11evidence for the nuclear model of the atom. Alpha particles were fired at a thin gold foil and their paths observed.

(a) Describe the observations from the alpha particle scattering experiment.(3)

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m from the gold nucleus. Calculate the force between the alpha particle and the gold nucleus.

(3)

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Force = .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

(Total for Question 11 = 6 marks)

8

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12 Regenerative braking is used in electric cars. When the driver applies the brakes the motor acts as an electric generator, making use of the rotation of the wheels as they slow down. This enables the battery to be charged whilst the car is braking.

The diagram shows a coil in a magnetic field which when rotating can be used as an electric generator.

*(a) The coil rotates.

Explain how this produces a current in the coil.(3)

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(b) State why the current produced in the coil cannot be used directly to charge a battery.(1)

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magnetmagnet

coil

to batterycircuit

N S

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(c) When regenerative braking is being used, explain how the magnitude of the generated e.m.f. changes as the driver brakes steadily.

(3)

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13 Some lights are designed to dim gradually after being switched off. This can be done using a capacitor in a timer circuit.

The circuit diagram shows how a potential difference (p.d.) can be supplied across a resistor for a limited time.

(a) When the switch is at position A, the capacitor charges.

(i) In terms of the movement of electrons, explain what happens to the capacitor as it becomes fully charged.

(2)

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(ii) Calculate the energy stored in the charged capacitor.(2)

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Energy = .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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(b) The switch is moved to position B and the capacitor discharges through the resistor.

(i) Describe what happens to the current through the resistor.(2)

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Calculate the resistance of the resistor in the circuit.(3)

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Resistance = .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .


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14 A mass spectrometer is a device used to identify atoms by measuring the mass-charge ratio m

Q of their ions.

Ionised atoms in a vacuum are accelerated from rest through a potential difference V and then enter an evacuated tube.

(a) An ion of mass m is accelerated to a velocity v. Show that the mass-charge ratio of the ion is given by

mQ

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=

(2)

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evacuated tube

electromagnet

detector

ions

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*(b) The electromagnet shown in the diagram provides a magnetic field which is used to deflect the ion along the tube of the spectrometer.

Explain how a magnetic field can be used to deflect the ion into a circular path.(3)

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(c) An atom of bromine is ionised by the removal of one electron. It is accelerated through a potential difference of 3.0 kV and then enters the tube. The ionised atom is

Calculate the radius of curvature r of the tube.

(4)

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r = .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .


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15 In a bowling game, a player rolls a small ball along the ground. The diagram shows the action of the player as he starts to swing his arm forward at A, to the point when the ball is rolling along the ground at C.

The player exerts a forward force on the ball between A and B.

(a) (i) State how the motion of the ball at C differs from that at B.(2)

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at a speed of 3.0 m s .

Calculate the average forward force that the player applies to the ball.

mass of ball, m(2)

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Average forward force = .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

A B C

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IS AREA

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IS AREA

After the collision both balls roll off at an angle to the original direction of the moving ball as shown in the diagrams.

After the collision:

•

•of the moving ball.

(i) Show that the velocity v of the first ball as it collides with the second ball is about .

(3)

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Before:m m

After:

= m

= 0.7 m sm

17


D

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OT

WRI

TE IN

TH

IS A

REA

D

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WRI

TE IN

TH

IS A

REA

D

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TH

IS A

REA

(ii) By means of a suitable calculation, show that the collision is inelastic.(2)

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18

*P46954A01828*

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IS AREA

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IS AREA

16

(a) Calculate the angular velocity of the ISS in radians per second.(2)

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Angular velocity = .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . rad s

*(b) A student suggests:

“The ISS is travelling at a constant speed, so, according to Newton’s laws, there will be no resultant force acting on it .”

Criticise this suggestion.(3)

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(c) Calculate the magnitude of the centripetal force acting on the ISS.

5 kg

(2)

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Force = .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .


19


D

O N

OT

WRI

TE IN

TH

IS A

REA

D

O N

OT

WRI

TE IN

TH

IS A

REA

D

O N

OT

WRI

TE IN

TH

IS A

REA

17 A student set up an experiment to determine the magnetic flux density between two magnadur magnets. A magnadur magnet has its north and south poles on opposite large rectangular faces. The two magnets were attached to a yoke, with opposite poles facing, as shown in the diagram.

The student zeroed the balance and then placed the magnets and yoke on it. The reading

A conducting rod connected to a d.c. power supply was held stationary between the magnets as shown. An ammeter was used to measure the current through the conducting rod.

magnet magnet

yoke

S

N

20

*P46954A02028*

D

O N

OT W

RITE IN TH

IS AREA

D

O N

OT W

RITE IN TH

IS AREA

D

O N

OT W

RITE IN TH

IS AREA

The circuit diagram shows the arrangement when viewed from above.

The power supply was switched on. The student increased the current through the conducting rod and the corresponding reading on the balance was recorded.

The following results were obtained.

Current / A Reading on balance / g

0

0.5

(a) Add an arrow to the circuit diagram to indicate the direction of the magnetic field between the magnets. Justify your answer.

(4)

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d.c.powersupply

magnadurmagnets

magnetic field

conducting rod

I A

21

*P46954A02128*

D

O N

OT

WRI

TE IN

TH

IS A

REA

D

O N

OT

WRI

TE IN

TH

IS A

REA

D

O N

OT

WRI

TE IN

TH

IS A

REA

Turn over

(b) Describe how the results can be used to determine the magnetic flux density by a graphical method. You are not expected to do the calculations.

(6)

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18 + decay is

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(a) Using information in the table, describe how a proton changes into a neutron.

Type of quark Charge / e

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(2)

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(b) With reference to the charges of the particles, show that this decay is possible.(2)

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electron and two photons of equal energy are emitted.

Calculate the wavelength of the emitted photons.

(4)

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At these energies, the energy and momentum of a particle are connected by the relativistic equation E = pc.

(3)

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Wavelength = .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Turn over

24

*P46954A02428*

D

O N

OT W

RITE IN TH

IS AREA

D

O N

OT W

RITE IN TH

IS AREA

D

O N

OT W

RITE IN TH

IS AREA

hydrogen target which consists of protons. Suggest, with reasons, what happens to the path of the electrons.

(2)

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TOTAL FOR SECTION B = 70 MARKS

TOTAL FOR PAPER = 80 MARKS

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D

O N

OT

WRI

TE IN

TH

IS A

REA

D

O N

OT

WRI

TE IN

TH

IS A

REA

D

O N

OT

WRI

TE IN

TH

IS A

REA

List of data, formulae and relationships

Acceleration of free fall g Boltzmann constant k J K

k = 0

N m CElectron charge e CElectron mass me kg

JG N m kgg

0 F mPlanck constant h J sProton mass mp kgSpeed of light in a vacuum c m s

W m KUnified atomic mass unit u kg

Unit 1

Mechanics

Kinematic equations of motion v = u + at s = ut + ½at v = u + as

Forces F = ma g = F/m W = mg

W = F s Ek = ½mv Egrav = mg h

Materials

F

F = k x

Density

Pressure p = F/A

Young modulus where Stress = F/A Strain x/x

Elastic strain energy Eel = ½F x

26

*P46954A02628*

D

O N

OT W

RITE IN TH

IS AREA

D

O N

OT W

RITE IN TH

IS AREA

D

O N

OT W

RITE IN TH

IS AREA

Unit 2

Waves

Wave speed

Refractive index = sin i/sin r = v /v

Electricity

Potential difference V = W/Q

Resistance R = V/I

Electrical power, energy and P = VI efficiency P = I R P = V R W = VIt

useful energy outputtotal energy input

useful power outputtotal power input

Resistivity

Current I = Q/ t I = nqvA

Resistors in series R = R + R + R3

Resistors in parallel 1 1 1 1

1 2 3R R R R= + +

Quantum physics

Photon model E = hf

hf = o/ + ½mv max equation

27

*P46954A02728*

D

O N

OT

WRI

TE IN

TH

IS A

REA

D

O N

OT

WRI

TE IN

TH

IS A

REA

D

O N

OT

WRI

TE IN

TH

IS A

REA

Unit 4

Mechanics

p = mv

Kinetic energy of a non-relativistic particle Ek = p m

T = F = ma = mv r a = v r

Fields

F = kQ Q /r where k = 0

Electric field E = F/Q E = kQ/r E = V/d

Capacitance C = Q/V

Energy stored in capacitor W = ½QV

Capacitor discharge Q = Q0e–t/RC

In a magnetic field F = BIl sin F = Bqv sin r = p/BQ

No/ t

Particle physics

E = c m

de Broglie wavelength = h/p

28

*P46954A02828*

D

O N

OT W

RITE IN TH

IS AREA

D

O N

OT W

RITE IN TH

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D

O N

OT W

RITE IN TH

IS AREA

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Advanced Level Physics - NH Papers · 2016. 1. 18. · through a potential difference of 3.0 kV and...

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Transcript of Advanced Level Physics - NH Papers · 2016. 1. 18. · through a potential difference of 3.0 kV and...